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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

유윤하 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수
이덕진
발행연도
2023
저작권
전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수13

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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During the past decade, the robotics community has been focused on developing online autonomous driving algorithms that can establish safe robot motion planning. For instance, in scenarios where robots need to be deployed in unstructured environments, it is not feasible to specify all the rules, leading to the adoption of online autonomous driving algorithms. However, designing models for unstructured environments presents challenges in terms of accuracy and overcoming safety hazards posed by real-time dynamic obstacles, which are essential conditions for the commercialization of robots. To address this, the Robotics Society has been utilizing model-free deep reinforcement learning controllers to build robot platforms.
However, model-free deep reinforcement learning algorithms currently lack guarantees for safety during the exploration process, and the evidence for trusting the neural network models is limited. Therefore, this paper aims to propose two types of safety filters to be applied to the deep reinforcement learning controllers used in End-to-End autonomous driving algorithms. First, a safety controller that combines control barrier functions with deep reinforcement learning is validated in the scenario of Adaptive Cruise Control, a state-of-the-art driver assistance system. Second, in multi-objective autonomous driving scenarios, safety is verified using a model predictive filter. A multi-objective deep reinforcement learning controller is developed for collision avoidance and target reaching, and model predictive filter are combined in serial and parallel to handle different forms of multi-objective scenarios. Ultimately, after verifying the performance of the algorithm through a simulation based on a custom-made digital twin, there are plans to conduct a proof-of-concept experiment by equipping autonomous driving hardware with the astonishing Model Predictive Filter algorithm that is being proposed.
The research results demonstrate that incorporating safety filters into autonomous driving algorithms can enhance the safety of deep reinforcement learning by designing safety constraints based on vehicle dynamics, thus opening up new horizons in robotics research.

목차

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 및 논문 구성 9
제 2 장 End-to-End 강화학습 기반 자율주행 제어기 설계 17
2.1 심층강화학습 이론 17
2.2 모델 자유 확률론적 정책 기반 심층강화학습 이론 22
2.3 모델 자유 결정론적 정책 기반 심층강화학습 이론 25
2.4 TD3 기반 속력 추종 제어기 설계 31
2.5 PPO 기반 다중목적 제어기 설계 35
제 3 장 고안전 모델기반 안전성 필터 기법 연구 38
3.1 모델기반 제어장벽함수 이론 38
3.2 모델예측필터 이론 42
3.2.1 모델예측필터 기본 개념 42
3.2.2 확장된 모델예측필터 기법 연구 45
제 4 장 Hybrid 안전제어기 기반 자율주행 연구 51
4.1 모델기반 제어장벽함수를 활용한 적응형 순방향 제어기 설계 51
4.2 모델예측필터를 활용한 다중목적 심층강화학습 제어기 설계 53
4.2.1 병렬연결된 모델예측필터와 심층강화학습제어기 설계 53
4.2.2 직렬연결된 모델예측필터와 심층강화학습제어기 설계 55
제 5 장 디지털 트윈 환경 기반 자율주행 환경 구축 58
5.1 ROS를 연동한 오픈소스 기반 자율주행 시뮬레이션 구축 58
5.1.1 Gazebo 기반 시뮬레이션 구축 58
5.1.2 CARLA 시뮬레이션 구축 61
5.2 디지털 트윈 기반 동적 환경 시뮬레이션 구축 63
5.2.1 디지털 트윈 기반 시뮬레이션 구축 63
5.2.2 Autoware와 Local Vector Map 기반 전역 경로 주행 구축 68
제 6 장 실험 결과 및 고찰 71
6.1 실험 설계 및 설정 평가 71
6.1.1 실험 진행 방식 및 재원 71
6.1.2 디지털 트윈 기반 자율주행 모사 시뮬레이션 설정 평가 75
6.2 모델 기반 제어장벽함수를 활용한 적응형 순방향 제어기 결과 76
6.2.1 차간 거리 기반 속력 구속 평가 및 안전성 평가 결과 76
6.2.2 다른 강화학습 기반 안전제어기와 성능 비교 결과 76
6.3 Hybrid 안전제어기 기반 자율주행 연구 결과 80
6.3.1 Gazebo 및 Unreal-Engine 기반 시뮬레이션 검증 결과 80
6.3.2 다중목적 강화학습 제어기와 Hybrid 안전제어기 보상 비교 결과 82
6.4 Hybrid 안전제어기 기반 자율주행 실증 실험 결과 84
6.4.1 열린 공간 주행 궤적 기반 안전한 자율주행 성능평가 결과 84
6.4.2 숲에서 주행 궤적 기반 안전한 자율주행 성능평가 결과 86
6.5 후속 연구 88

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